預混C 2 H 4 /N 2 O推力室噴注面板熱反侵著火現(xiàn)象數(shù)值模擬
發(fā)布時間：2021-08-25 05:18
預混C2H4/N2O推進系統(tǒng)因其性能高、系統(tǒng)簡單以及推進劑無毒而在姿軌控發(fā)動機中有重大潛在應(yīng)用價值,而防止回火是其要解決的關(guān)鍵技術(shù)。為此,該文構(gòu)建了包括集氣腔、噴注面板、燃燒室和噴管的預混C2H4/N2O推進劑單噴注單元推力室,采用能夠準確預測著火延遲的C2H4/N2O詳細化學反應(yīng)動力學機理,耦合腔室中的反應(yīng)流和噴注面板中的傳熱過程,開展了推力室點燃和集氣腔熱反侵著火現(xiàn)象的數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明:推力室非穩(wěn)態(tài)點燃過程時空演化至穩(wěn)定狀態(tài)時的特征參數(shù)與化學熱力平衡計算結(jié)果一致。隨著噴注面板孔板面積比的減小,燃燒室通過噴注面板傳給集氣腔的熱量顯著增加,并最終能夠引燃集氣腔預混氣。從而發(fā)現(xiàn)和提出一種噴注面板熱反侵導致集氣腔著火的機制。當采用常規(guī)設(shè)計的推力室頭部時,存在噴注面板臨界孔板面積比,其為預混C2H4/N2O推進系統(tǒng)噴注器設(shè)計提...
【文章來源】：清華大學學報(自然科學版). 2020,60(03)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
預混C2H4/N2O單噴注單元推力室構(gòu)型
對于基準工況, 在集氣腔、 噴嘴、 燃燒室及噴管內(nèi)冷態(tài)流場建立之后, 通過在回流區(qū)內(nèi)設(shè)置一定溫度的局部高溫區(qū)來實現(xiàn)點火, 該高溫區(qū)半徑為 0.25 mm, 中心距離噴注面板和軸線0.5 mm, 溫度為3 000 K。 在考慮噴注面板熱反侵條件下, 對該點火過程進行模擬, 結(jié)果如圖2所示。 可見, 局部點火之后, 火焰迅速向下游發(fā)展, 最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。 此時, 預混氣充滿噴嘴, 并在其下游形成清晰的錐形火焰面, 沒有回火現(xiàn)象發(fā)生。 而燃燒室的高溫燃氣在流經(jīng)噴管時, 溫度持續(xù)降低, 可見建立了正常的從亞聲速到超聲速的流動形態(tài)。 其中噴注面板噴孔預混氣流速度約為20 m/s, 噴注壓降較小。 達到穩(wěn)態(tài)時, 本文數(shù)值模擬獲得的燃燒室燃氣溫度為3 220.0 K, 噴管出口截面溫度和Mach數(shù)分別為1 108.0 K和3.79。 對該工況, 基于火箭發(fā)動機化學熱力學平衡計算獲得的燃燒室燃氣溫度為3 271.0 K, 噴管出口截面溫度和Mach數(shù)為1 132.5 K和3.91。 可見二者符合很好, 表明本文的數(shù)值模擬是可信的, 并成功實現(xiàn)了預混C2H4/N2O單噴注單元推力室點火過程模擬。由于噴注面板燃燒室側(cè)靠近高溫燃氣而被加熱, 使其結(jié)構(gòu)溫度上升。 而噴嘴內(nèi)溫度較低的推進劑在流經(jīng)噴注面板時, 通過對流帶走了部分熱量而使噴注面板結(jié)構(gòu)溫度降低, 具有再生冷卻的特征[19]。 在達到穩(wěn)態(tài)時, 噴注面板溫度高于初始溫度和推進劑來流溫度。 但在本工況條件下, 噴注面板的溫升沒有對集氣腔形成明顯的加熱效應(yīng), 即其熱反侵對集氣腔的預混氣來說是安全的。
表2 熱反侵工況的燃燒室直徑和噴注面板面積比 工況 燃燒室直徑/mm 噴注器孔板面積比 1 2.5 0.040 2 3.0 0.028 3 3.5 0.020對于工況2, 燃燒室直徑增加至3.0 mm。 與工況1相比, 噴注器結(jié)構(gòu)熱反侵明顯增強, 但最終仍然在12.120 5 s能夠達到穩(wěn)定狀態(tài), 如圖3b所示。 此時噴注面板的平均溫度由初始溫度300 K升高至950 K。 其集氣腔靠近噴注面板的死區(qū)溫度有明顯升高, 達到900 K, 但仍低于其著火溫度。 因此, 此時采用傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)動機噴注器型式也能夠保障安全穩(wěn)定工作。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Numerical evaluation of acoustic characteristics and their damping of a thrust chamber using a constant-volume bomb model[J]. Jianxiu QIN,Huiqiang ZHANG,Bing WANG. Chinese Journal of Aeronautics. 2018(03)
[2]燃氣輪機燃燒回火機理與數(shù)值模擬的研究進展[J]. 張文普,李宇斌. 燃燒科學與技術(shù). 2016(05)
本文編號：3361476
【文章來源】：清華大學學報(自然科學版). 2020,60(03)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：6 頁
【部分圖文】：
預混C2H4/N2O單噴注單元推力室構(gòu)型
對于基準工況, 在集氣腔、 噴嘴、 燃燒室及噴管內(nèi)冷態(tài)流場建立之后, 通過在回流區(qū)內(nèi)設(shè)置一定溫度的局部高溫區(qū)來實現(xiàn)點火, 該高溫區(qū)半徑為 0.25 mm, 中心距離噴注面板和軸線0.5 mm, 溫度為3 000 K。 在考慮噴注面板熱反侵條件下, 對該點火過程進行模擬, 結(jié)果如圖2所示。 可見, 局部點火之后, 火焰迅速向下游發(fā)展, 最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。 此時, 預混氣充滿噴嘴, 并在其下游形成清晰的錐形火焰面, 沒有回火現(xiàn)象發(fā)生。 而燃燒室的高溫燃氣在流經(jīng)噴管時, 溫度持續(xù)降低, 可見建立了正常的從亞聲速到超聲速的流動形態(tài)。 其中噴注面板噴孔預混氣流速度約為20 m/s, 噴注壓降較小。 達到穩(wěn)態(tài)時, 本文數(shù)值模擬獲得的燃燒室燃氣溫度為3 220.0 K, 噴管出口截面溫度和Mach數(shù)分別為1 108.0 K和3.79。 對該工況, 基于火箭發(fā)動機化學熱力學平衡計算獲得的燃燒室燃氣溫度為3 271.0 K, 噴管出口截面溫度和Mach數(shù)為1 132.5 K和3.91。 可見二者符合很好, 表明本文的數(shù)值模擬是可信的, 并成功實現(xiàn)了預混C2H4/N2O單噴注單元推力室點火過程模擬。由于噴注面板燃燒室側(cè)靠近高溫燃氣而被加熱, 使其結(jié)構(gòu)溫度上升。 而噴嘴內(nèi)溫度較低的推進劑在流經(jīng)噴注面板時, 通過對流帶走了部分熱量而使噴注面板結(jié)構(gòu)溫度降低, 具有再生冷卻的特征[19]。 在達到穩(wěn)態(tài)時, 噴注面板溫度高于初始溫度和推進劑來流溫度。 但在本工況條件下, 噴注面板的溫升沒有對集氣腔形成明顯的加熱效應(yīng), 即其熱反侵對集氣腔的預混氣來說是安全的。
表2 熱反侵工況的燃燒室直徑和噴注面板面積比 工況 燃燒室直徑/mm 噴注器孔板面積比 1 2.5 0.040 2 3.0 0.028 3 3.5 0.020對于工況2, 燃燒室直徑增加至3.0 mm。 與工況1相比, 噴注器結(jié)構(gòu)熱反侵明顯增強, 但最終仍然在12.120 5 s能夠達到穩(wěn)定狀態(tài), 如圖3b所示。 此時噴注面板的平均溫度由初始溫度300 K升高至950 K。 其集氣腔靠近噴注面板的死區(qū)溫度有明顯升高, 達到900 K, 但仍低于其著火溫度。 因此, 此時采用傳統(tǒng)的液體火箭發(fā)動機噴注器型式也能夠保障安全穩(wěn)定工作。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Numerical evaluation of acoustic characteristics and their damping of a thrust chamber using a constant-volume bomb model[J]. Jianxiu QIN,Huiqiang ZHANG,Bing WANG. Chinese Journal of Aeronautics. 2018(03)
[2]燃氣輪機燃燒回火機理與數(shù)值模擬的研究進展[J]. 張文普,李宇斌. 燃燒科學與技術(shù). 2016(05)
本文編號：3361476
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